高碳钢不同热处理相结构和尺寸变化+文献综述(7)
总之，淬火前高碳钢的室温组织是珠光体+碳化物，珠光体组织为体心立方的铁素体相与复杂斜方的渗碳体相的混合物。淬火过程中珠光体转变为体心正方的马氏体，室温组织是马氏体、少量残余奥氏体以及碳化物。奥氏体为面心立方结构。冷处理使得残余奥氏体转变为体心正方的马氏体。回火过程中，随着温度的升高，马氏体中的碳原子析出，显微组织最终转变为铁素体以及碳化物。
1.4 高碳钢热处理相变分析
热处理过程中伴随着高碳钢组织中的原子排列和晶体结构的变化，也就是相结构发生变化，也就是说热处理的本质是固态相变。高碳钢的性能取决于相变后材料的组织形态，所以判断、分析热处理试样是否发生相变在高碳钢热处理的理论和实践中占有重要的位置。目前判断、分析热处理试样相变的方法有X射线衍射物相分析、热膨胀分析、硬度测量分析、金相分析、磁性测量分析等。
1.4.1 高碳钢热处理相变分析手段
（1）X射线衍射物相分析
热处理固态相变发生，组成高碳钢显微组织中相的晶体结构会改变。每一种结晶物质各自都有自己的晶体结构，当X射线通过晶体时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，它们的特征可以用各个衍射面族的面间距d和衍射线的相对强度来表征。根据物相结构来鉴别热处理是否发生相变，分析相变的转变量。原理如下：
布拉格方程： (1-1)
根据以知波长的特征X射线，通过测量角，可以计算出晶面间距d ：
(1-2)
对于一种晶体结构总有相应的晶面间距表达式：
(1-3)
将布拉格方程和晶面间距公式联系起来，就得到该晶系的方向的表达式。对于立方晶系：
2 (1-4)
衍射方向决定晶胞的大小与形状，如果sin2θ1/sin2θ2/sin2θ3=2/4/6,那么晶胞为体心晶系。如果sin2θ1/sin2θ2/sin2θ3=3/4/8，那么晶胞为面心晶系。
例如判断淬火试样中是否存在马氏体，则根据式1-4求出sin2θ，通过比值是判断为体心晶系还是面心晶系，再根据式1-2求出晶面间距d，根据式1-3求出点阵常数a，与铁素体室温下的点阵常数a=2.8663Å对比，如果值接近，则马氏体存在。
（2）热膨胀分析
热膨胀分析是获取钢铁材料固态相变动力学信息的一种重要手段。其原理如下：当材料发生相变时，晶体结构的变化会引起试样体积的改变。例如当纯铁从奥氏体平衡相变结束温度(A3)冷却到室温时，其晶体结构由面心立方的奥氏体转变为体心立方的铁素体，由于奥氏体的密排度高于铁素体的密排度，因此相变过程会产生1.6％的体积膨胀[12]。
钢铁试样在加热和冷却时，试样的尺寸除了受正常的热胀冷缩的影响外，还与相变过程有关，即其尺寸变化是由两部分组成：ΔL=ΔL热+ΔL相，为试样由于热胀冷缩引起的尺寸变化；为试样由于相变体积效应引起的尺寸变化；为试样加热或冷却时以上两种叠加结果引起的尺寸总变化。当不发生相变时，ΔL相=0，所以ΔL=ΔL热。钢中各相的比容关系为：奥氏体＜铁素体＜珠光体＜贝氏体＜马氏体[13]，也就是马氏体体积最大。钢在加热时，珠光体变为奥氏体，产生收缩；而快速冷却时，奥氏体转变为马氏体则有体积的明显膨胀。由于试样在相变过程中体积的变化在总体上可认为是各向同性的，因此，在相变过程中相对体积变化（ΔV/V0）与相对尺寸变化（ΔL/L0）的关系可以表达如下[14]：